книги / Сверхвысокие частоты. Основы и применения техники СВЧ

Г. КЛИНГЕР

СВЕРХВЫСОКИЕ

ЧАСТОТЫ

ОСНОВЫ И ПРИМЕНЕНИЯ ТЕХНИКИ СВЧ

Перевод с немецкого

М. Н. ДЕВЯТКОВА и Ю. А. ПИРОГОВА

ИЗДАТЕЛЬСТВО «НАУКА»

ГЛАВНАЯ РЕДАКЦИЯ ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

МО С К В А 1 9 6 9

Verlag — Radio — Foto — Kinotechn GMBH

Berlin — Borsigwalde

Клингер Ганс Герберт

СВЕРХВЫСОКИЕ ЧАСТОТЫ Основы и применения техники СВЧ

М., 1969 г., 272 стр. с илл.

Редактор Л. Я. Гладнева Техн. редактор В, Н. Крючкова

Корректоры: С. Н. Емельянова, Т. С• Вайсберг

Сдано в набор 5/1II 1969 г. Подписано к пе­ чати 1/VII 1969 г. Бумага 84Х 1081/з*. Физ. печ. л. 8,5+ + 1 вкл. Условн. печ, л, 14,49. Уч.-изд. л. 14,08. Тираж 15000 экз. Цена книги 85 к. Заказ № 93.

Издательство «Наука* Главная редакция

физико-математической литературы Москва, В-71, Ленинский проспект, 15.

Ленинградская типография № 2 имени Евгении Соколовой

Главполиграфпрома Комитета по печати при Совете Министров СССР.

Измайловский проспект, 29.

3-3-12

169-69

СОДЕРЖАНИЕ

а) ЧМ-радиолокатор (167). б) Допплеровская радиолокация (168).

4

5

ПРЕДИСЛОВИЕ

Моему учителю профессору Генриху Баркгаузену с благодарностью посвящаю

Для развития техники высоких частот характерна тенденция применения все более коротких волн. Ра­ нее радиопередачи велись на очень длинных волнах (от "К—10 км и до 20 км), с помощью которых в 1916 г. впервые была установлена беспроволочная телеграфная радиосвязь с «антиподами». Радиопередача с помощью очень длинных волн требует, однако, высоких мощно­ стей передатчиков и больших антенных устройств; сле­ дует отметить также, что радиоприем на этих волнах может в значительной степени сопровождаться атмо­ сферными помехами.

С изобретением электронных ламп открылась воз­ можность возбуждения незатухающих колебаний с по­ чти сколь угодно короткими длинами волн. В 1923 г. радиолюбители, применявшие небольшие ламповые пе­

вались как полностью непригодные для радиосвязи на большие расстояния, прекрасно подходят даже для трансокеанских расстояний. В этот период развития практических применений высоких частот возникла ко­ ротковолновая техника.

Короткие волны могут концентрироваться с помощью направленных антенн и излучаться в предварительно заданном направлении. Постоянно растущие потребно­ сти в международной радиосвязи принуждали к освое­ нию диапазонов все более высоких частот, в которых могли бы быть размещены необходимые каналы связи. В то же время для целого ряда применений возникла необходимость в концентрированных, возможно более узких пучках излучаемых радиоволн. Это привело к ис­ следованиям и освоению УКВ-диапазона, т. е. области длин волн от 10 м до 1 ж. Развитие техники УКВ

7

началось еще в середине тридцатых годов, но пришло к завершению лишь позднее, когда стали широко исполь­ зоваться УКВ-радиовещание и телевидение.

После 1945 г. стали приобретать все большее и боль­

высоких частот — СВЧ). Хотя уже три десятилетия тому назад была, правда ограниченная, возможность полу­ чения сверхвысоких частот и в то время начиналось применение их для различных целей, лишь вторая ми­ ровая война обусловила быстрое развитие техники СВЧ, равно как позднее космические исследования привели к ее широкому использованию. Техника СВЧ сущест­ венно отличается от техники радиовещательного и УКВдиапазонов, причем не только со стороны аппаратуры, но и с точки зрения характерных для этого частотного диапазона специфических физических процессов. Для специалистов, которые до этого имели дело только с за­ дачами радиотехники, техника СВЧ предлагает совер­ шенно новые понятия и явления.

Правда, существует ряд книг по технике сверхвысо­ ких частот, однако они рассчитаны на специалистов в этой области и для читателей без серьезного математи­ ческого образования часто оказываются трудными. В противоположность этому, настоящая книга способ­ ствует введению в физику и технику СВЧ на основе на­ глядных представлений. В ней обсуждаются и основные положения техники сверхвысоких частот, и ее очень ши­ роко распространившиеся применения в промышленно­ сти и исследованиях. До сих пор, насколько я знаю, в немецкой литературе отсутствуют издания, предприня­ тые с такой целью. С этой книгой я обращаюсь к сту­ дентам, физикам и радиотехникам, а также ко всем тем, кто хотя и знаком с основами радиотехники и электро­ ники, однако пока не смог приобрести знаний и навыков в этой специальной области — в области сверхвысоких частот.

Г Клингер

Нордвольде, Бремен, лето 1966 г.

ВВЕДЕНИЕ

По существующим нормам, к технике сверхвысоких частот относится область частот выше 300 Мгц или диа­ пазон волн с длиной от 1 ж до 1 мм (дециметровые, сан­ тиметровые и миллиметровые волны). Со стороны ко­ ротких волн к диапазону сверхвысоких частот (СВЧ) примыкает область субмиллиметровых волн (Я=1 мм-т- -ь0,1 мм). Субмиллиметровые волны часто считают вхо­ дящими в диапазон СВЧ.

В электромагнитном спектре диапазон сверхвысоких частот перебрасывает мост между областью собственно радиоволн и оптической областью спектра когерентных световых волн. Этому граничному положению соответ­ ствует то, что физика сверхвысоких частот частично основывается на закономерностях электротехники (мак­ свелловская электродинамика), а в остальном — неод­ нократно прибегает к типичным волновым или кванто­ вооптическим представлениям. С уменьшением длины волны, или соответственно с увеличением частоты, опти­ ческие свойства сверхвысокочастотных полей приобре­ тают все большее значение. Это проявляется не только в особенностях распространения волн, но также и в про­ цессах излучения или поглощения сверхвысоких частот материей, при которых определяющую роль играют кван­ товые эффекты.

Техника сверхвысоких частот отличается от обычной радиотехники (радиовещательный диапазон, короткие и ультракороткие волны) целым рядом характерных мо­ ментов. В то время как в радиотехнике объемные раз­ меры таких высокочастотных элементов, как катушки индуктивности, конденсаторы и сопротивления, всегда малы по сравнению с длиной волны, на сверхвысоких частотах приходится иметь дело с такими длинами волн, которые оказываются одногопорядка и меньше, чем

9

протяженность элементов схем и приборов. В матема­ тических уравнениях, описывающих электромагнитное состояние таких систем, выступают частные производные по времени, а их решение — и здесь проявляется физи­ ческая сущность — приводит к волновым уравнениям. Физически это значит, что электромагнитное поле в та­ ких системах не может уже считаться квазистационарным, как это имеет место на низких частотах, а, напро­ тив, проявляется в форме волн. Примером этому могут служить колебания и волны в объемных резонаторах и волноводах.

Другой особенностью сверхвысоких частот являются эффекты, связанные с временами пролета в электронных потоках. Если на более низких частотах время пролета электронов в генераторных и усилительных лампах все­ гда меньше периода колебаний высокочастотных полей, то на сверхвысоких частотах они оказываются величи­ нами одного порядка. Отсюда следует, что обычные для техники высоких частот генераторные и усилительные лампы на сверхвысоких частотах могут найти лишь ограниченное применение. Вместо них выступают лам­ пы, использующие пролетные эффекты, такие как кли­ строны, магнетроны и лампы бегущей волны. Наконец, на субмиллиметровых волнах приходится применять ге­ нераторные лампы, которые основаны на использовании собственного электромагнитного излучения ускоренных электронов, движущихся в электрических и магнитных полях.

Для антенн на сверхвысоких частотах основой яв­ ляется также другая физическая точка зрения, чем на более длинных волнах. Размеры СВЧ-антенн, как пра­ вило, существенно больше длины волны, так что в этом частотном диапазоне при расчетах необходимо приме­ нять приближения, основанные на оптических законо­ мерностях. Именно поэтому с помощью СВЧ-антенн удается получать концентрированные, остронаправлен­ ные пучки излучения; это достигается тем лучше, чем больше отношение размеров антенны к длине волны.

Возможность обеспечения высокой концентрации СВЧ-излучения является решающей для таких примене­ ний, как направленная радиосвязь и радиолокационная техника. Вторым фактором, существенным с точки зре­ ния технического значения диапазона СВЧ, является

Ю